หน่วยที่ 1 ทฤษฎีไฟฟ้าเบื้องต้น

หนว่ ยที่ 1 ทฤษฎีไฟฟา้ เบื้องตน้

จดุ ประสงค์การเรียนรู้

ไฟฟ้าเป็นพลงั งานที่มองไม่เห็น ผลของพลงั งานไฟฟา้ ทาให้เรา มองเห็นได้ (หลอดไฟ มอเตอรห์ มุน) ไดย้ นิ เสียง (เสียงฟา้ ผ่า เสยี งแตร) รู้สึกได้ (ถา้ จบั สายไฟทีฉ่ นวนชารดุ ไฟจะดูด) ได้กล่ิน (ถ้าสายไฟชารุดจะ ไดก้ ล่ินไหม)้ 1. การกาเนิดกระแสไฟฟา้- เกิดขนึ้ เองในธรรมชาติ- มนษุ ยเ์ ปน็ ผผู้ ลิตขึ้นมา เชน่ เกิดจากการเสยี ดสี ความร้อน แสงสวา่ งแรงกด แรงสัน่ สะเทือน การเหนีย่ วนาของสนามแมเ่ หลก็ ปฏิกริ ยิ าทางเคมี

1.1 พ้นื ฐานของอะตอมและวงอิเลก็ ตรอน

ทฤษฎีอะตอม ของจอหน์ ดอลตัน - สสารแตล่ ะชนดิ ประกอบดว้ ยอนุภาคเลก็ ๆ เรยี กว่า อะตอม ซงึ่แบ่งแยกไมไ่ ด้ เม่ือรวมกนั ต้ังแต่ 2 อะตอมข้นึ ไป จะเรยี กวา่ โมเลกลุเมอ่ื รวมกันหลายๆโมเลกลุ จะเรียกวา่ สสารหรอื ธาตุ - อะตอมจะทาใหเ้ กดิ ใหม่หรอื สูญหายไมไ่ ด้ - สารประกอบเกดิ จากการรวมตวั กันของอะตอมของธาตุตา่ งชนิดกนั ด้วยอัตราส่วนของจานวนอะตอมคงท่ี - โมเลกลุ ของสารประกอบชนดิ เดียวกนั ยอ่ มมสี มบัติเหมอื นกนั และแตกต่างจากโมเลกุลของสารประกอบอ่นื ๆ

โครงสรา้ งพ้ืนฐานในหนงึ่ อะตอมประกอบดว้ ย - โปรตอน (protons) มปี ระจุไฟฟา้ บวก - อเิ ลก็ ตรอน (electrons) มีประจุไฟฟ้าลบ - นวิ ตรอน (neutrons) มีคุณสมบัตเิ ป็นกลางทางไฟฟ้า โดยโปรตอนและนิวตรอนจะอย่รู วมกนั เปน็ ศูนย์กลาง เรียกวา่นวิ เคลียส (nucleus) ในหน่ึงอะตอมของสารชนดิ เดยี วกันจะมจี านวนประจไุ ฟฟา้ อิเลก็ตรอน และ โปรตอนเทา่ กัน โดยประจุไฟฟ้าลบ หรือ อิเล็กตรอนจะหมุนโคจรรอบ ๆนิวเคลียส

ในหน่ึงอะตอมของสารตา่ งชนิดกันจะมจี านวนของอเิ ลก็ ตรอนและโปรตอนไมเ่ ทา่ กัน เชน่ - ไฮโดรเจน มอี เิ ล็กตรอน 1 ตวั - คารบ์ อน มอี เิ ล็กตรอน 6 ตัว - ทองแดง มีอเิ ล็กตรอน 29 ตวั อเิ ล็กตรอนจะโคจรไปรอบๆโปรตอนและนวิ ตรอน เปน็ ชนั้ ๆ เป็นวงโคจรแต่ละช้นั จะมีอเิ ล็กตรอนตามรปู แบบคือ2,8,18,32,50,72,98 ตวัตามลาดบั อเิ ลก็ ตรอนวงนอกสดุ เรยี กวา่ อเิ ล็กตรอนอิสระ จะมีอิเลก็ ตรอนได้ไมเ่ กิน 8 ตวั

KLM N S=2n2

6 2 เลขอะตอม (Atomic Number) 4C ชัน้ อเิ ลก็ ตรอน (bound electrons) สัญลกั ษณ์ของธาตุ (symbol of element)คาร์บอน ช่อื ธาตุ (name of element)12.0107 เลขมวล (Atomic Massเลขอะตอม : (Atomic Number , Z) คือ ตวั เลขท่แี สดงจานวนโปรตอนในนิวเคลียสของแตล่ ะอะตอมของธาตุ (ในอะตอมทเ่ี ป็นกลาง จานวนโปรตอนเท่ากบัจานวนอิเล็กตรอน ดงั นน้ั เลขอะตอมจะบอกจานวนอเิ ลก็ ตรอนในอะตอมด้วย Z=p=eเลขมวล (Atomic Mass , A) คือ ตัวเลขทแ่ี สดงผลรวมจานวนโปรตอน (p) และนวิ ตรอน (n) ในนวิ เคลียสของอะตอม A=p+n

ตารางธาตุ

1.2 การไหลของกระแสไฟฟ้า การไหลของกระแสไฟฟ้า เกดิ จากการไหลของอเิ ล็กตรอนเคลอ่ื นทใี่ นทศิ ทางเดยี วกนั จากลบ(-) ไปบวก(+) จะไหลอยู่เช่นน้ตี ราบเทา่ ทรี่ ะดบัประจบุ วกและประจลุ บยงั ต่างกนั หรอื ความต่างศักย์ไฟฟา้ (แรงดันไฟฟา้ ) การไหลของกระแสไฟฟ้าคอื การเคลอ่ื นทข่ี องอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระไปตามตวั นาจากอะตอมหน่ึงไปยงั อีกอะตอมหนึ่ง แหลง่ จา่ ยไฟฟ้าหรือแบตเตอร่ี เป็นตวั ทาให้อิเลก็ ตรอนเคลอื่ นย้ายจากส่วนหน่ึงของวงจรไปยังอีกสว่ นหน่ึงของวงจรเมอ่ื ตอ่ สายไฟเขา้ กับขว้ั ท้งัสอง มี 2 ทฤษฎีคอื ท.ท่วั ไป และ ท.อเิ ลก็ ตรอน

2. ตัวนา ฉนวน และสารก่งึ ตวั นา2.1 ตวั นา (Conductor) ตวั นาไฟฟา้ คือ สสารท่ียอมให้กระแสไฟฟา้ ไหลผา่ นตัวมนั ไดง้ า่ ย สสารที่เป็นตัวนาไฟฟ้าเปน็ สสารท่ีมีจานวนของอิเลก็ ตรอนและโปรตอนในหนึง่ อะตอมมาก และมีวาเลนซ์อเิ ล็กตรอนระหว่าง 1-3 ตวั ซง่ึมีโอกาสทาให้อิเล็กตรอนอิสระหลดุ ออกจากวงโคจรได้ง่าย สสารน้มี กัจะเปน็ โลหะ เช่น ทองคา เงิน ทองแดง ทองเหลอื ง เหลก็ ตะก่ัวอะลมู ิเนยี ม ดบี ุก

2.2 ฉนวน (Insulator) ฉนวนไฟฟ้าคอื สสารที่ไมย่ อมให้กระแสไฟฟา้ ไหลผา่ น สสารทเี่ ปน็ ฉนวนไฟฟ้าจะมีจานวนของอิเลก็ ตรอนและโปรตอนในหนง่ึ อะตอม น้อย และมวี าเลนซอ์ เิ ล็กตรอนระหวา่ ง 5-8 ตวั ซ่ึงมโี อกาสทาให้อเิ ล็กตรอนอสิ ระหลดุ ออกจากวงโคจรได้ยาก เชน่ ยาง ไฟเบอร์ แก้วเบกาไลด์ พลาสติก



2.3 สารกึ่งตัวนา (Semi-conductor) สารกง่ึ ตัวนาคือ สสารที่มีคณุ สมบัติทางไฟฟา้ อยู่ระหว่างกลางของการเปน็ ตัวนาและฉนวนไฟฟา้ กล่าวคือเป็นตวั นาไฟฟา้ ได้ไม่ดีและเป็นฉนวนไฟฟ้าไดก้ ไ็ ม่ดี สารกงึ่ ตัวนาเป็นสสารที่มีวาเลนซอ์ เิ ล็กตรอน 4ตวั สารกงึ่ ตวั นาทน่ี ามาใช้เปน็ อปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนกิ สม์ ี 2 ชนิดคือ เจอร์มาเนยี ม และซิลคิ อน

Si=14

3. ชนิดของไฟฟ้า ไฟฟ้าแบ่งออกเปน็ 2 ชนิดคือ 3.1 ไฟฟา้ สถติ (Static Electricity) 3.2 ไฟฟา้ กระแส (Current Electricity) ไฟฟา้ กระแสมีอยู่ 2 ชนดิ 3.2.1 ไฟฟา้ กระแสตรง (Direct Current) 3.2.2 ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current)



3.1 ไฟฟา้ สถติ (static electricity) คือไฟฟ้าท่ีเกดิ ขนึ้ เองตามธรรมชาติ เชน่การเกดิ ฟา้ รอ้ ง ฟา้ แลบ ฟ้าผา่ ซงึ่ เกดิ จากการสะสมของประจไุ ฟฟา้ บนกอ้ นเมฆในทอ้ งฟ้าแล้วเกิดการถ่ายเทประจไุ ฟฟ้ากนั หรอื อาจเกดิ จากการเสียดสีของวัตถบุ างชนดิ เชน่ การนาเอาแท่งอาพันมาถกู ับผา้ ขนสตั ว์ ทาใหแ้ ทง่ อาพันมีความสามารถดูดวตั ถเุ ล็กๆได้

3.2 ไฟฟา้ กระแส (current electricity) คอื ไฟฟ้าท่มี นษุ ย์สร้างขึ้นมาใชง้ าน ไฟฟ้ากระแสเกดิ จาก - ปฏิกิริยาทางเคมี เช่น แบตเตอรรี่ ถยนต์ ถา่ นไฟฉาย - แสงสว่าง เชน่ แผงโซลาเซลล์ ท่เี ปลย่ี นพลงั งานแสงอาทิตย์เปน็พลังงานไฟฟา้ ที่ใช้กับเครอื่ งคดิ เลข อปุ กรณ์ไฟฟา้ ภายในบา้ น หรอืดาวเทยี ม - การเหน่ียวนาของสนามแมเ่ หล็กกบั ขดลวดตวั นา เช่น อัลเทอร์เนเตอร์ หรอื ไดชารท์ ในรถยนต์

3.2.1 ไฟฟา้ กระแสตรง (Direct Current) หรือไฟดีซี (DC) เป็นไฟไฟฟา้ กระแสที่ไหลในทศิ ทางเดียว โดยมีข้ัวบวก หรือ ข้วั ลบคงทีไ่ ม่เปลี่ยนแปลง ไฟฟ้ากระแสตรงเกดิ จาก - ปฏิกิริยาทางเคมี เชน่ แบตเตอร่ี ถา่ นไฟฉาย - การเหนยี่ วนาของสนามแมเ่ หล็กกับขดลวด - พลังงานแสงอาทติ ย์ - วงจรแปลงกระแสไฟฟา้ จากกระแสสลับเปน็ กระแสตรง(rectifier)

3.2.2 ไฟฟา้ กระแสสลบั (Alternating Current) หรอื ไฟเอซี (AC)เป็นกระแสไฟฟ้าทเ่ี กิดจากการเคลอื่ นทขี่ องอเิ ล็กตรอนจากแหล่งจา่ ยไปยังอปุ กรณ์ไฟฟา้ ใด ๆ โดยอิเล็กตรอนมีการเคลอ่ื นท่กี ลับทศิ ทางตลอดเวลา กล่าวคอื กระแสไฟฟ้าท่ีจา่ ยออกมาจากแหลง่ กาเนิดจะสลับข้วั ระหวา่ งข้ัวบวก หรือ ขวั้ ลบ ตลอดเวลา เช่น มีการสลับข้ัวบวกและขั้วลบ 50 คร้ังต่อวนิ าที

ระบบแรงดนั ไฟฟ้าแบบ 1 เฟส 2 สาย (Single phase)ระบบแรงดันไฟฟ้าแบบ 3 เฟส 4 สาย (Three phase)

ไฟฟ้ากระแสตรง ไฟฟ้ากระแสสลบั

4. หน่วยวดั ทางไฟฟา้ 4.1 กระแสไฟฟ้า (current) คอื ความสามารถที่จะทาใหเ้ กดิ การเคลื่อนท่ขี องอิเล็กตรอนไปตามตวั นา มหี นว่ ยวัดเปน็ แอมแปร์(Ampere) หรือ A กระแสไฟฟา้ 1 แอมแปรถ์ ูกเรยี กว่า 1 คลู อมบ์ (C) ประจุไฟฟา้ 1 คลู อมบ์คอื การเคลื่อนทข่ี องอเิ ลก็ ตรอนจานวน6.25 X1018 ตัวไปตามตวั นาภายในเวลา 1 วนิ าที เคร่ืองมอื ทใี่ ช้วดั กระแสไฟฟา้ คอื แอมมิเตอร์ ขณะทาการวดั ตอ้ งตอ่ อนกุ รมกับภาระ



4.2 ความต้านทานไฟฟ้า (resistance) คือ แรงตา้ นทานการไหลของกระแสไฟฟา้ ทไ่ี หลผา่ นสารน้นั ๆโดยการไหลของอเิ ลก็ ตรอน จะทาให้เกิดความต้านทานไฟฟ้าขน้ึ ฉนวนไฟฟ้าจะมคี วามตา้ นทานสงู สุด ส่วนตัวนามีความตา้ นทานเพยี งเล็กนอ้ ย

สารแตล่ ะชนดิ จะมีความตา้ นทานต่างกันขน้ึ อยูก่ ับโครงสรา้ งของอะตอม ค่าความตา้ นทานไฟฟา้ จะมากหรือนอ้ ยขึ้นอยกู่ ับชนดิ ของสสารขนาด พื้นทห่ี นา้ ตัด ความยาว อณุ หภมู ิ สภาพผิวสมั ผัส หน่วยวัดความต้านทานไฟฟา้ คือ โอหม์ (Ohm) หรือ  เครื่องมอื ที่ใชว้ ัดความต้านทานไฟฟา้ คือ โอหม์ มิเตอร์



4.3 แรงดนั ไฟฟ้าหรอื แรงเคลอื่ นไฟฟา้ (electromotive force) คือ แรงดนั ท่ผี ลักดันให้อิเลก็ ตรอนเคลอื่ นท่ผี า่ นได้ในวัตถุตวั นาจากจดุ ทม่ี แี รงดนั ไฟฟา้ มากไปยงั จุดที่มีแรงดนั ไฟฟ้านอ้ ย หน่วยวัดแรงดันคือ โวลต์ (V) เครอ่ื งมอื ทใ่ี ชว้ ัดแรงดนั ไฟฟ้าคือ โวลต์มเิ ตอร์

5. แม่เหลก็ แม่เหล็ก (magnet) คือ เหลก็ ทีม่ ีคณุ สมบตั พิ เิ ศษสามารถดงึ ดูดธาตุบางชนดิ ได้ เชน่ เหล็ก โครเมียม แบง่ ออกได้ 2 ชนิด 5.1 แม่เหลก็ ธรรมชาติ 5.2 แม่เหล็กประดษิ ฐ์

แมเ่ หลก็ ธรรมชาติ และแมเ่ หลก็ ไฟฟา้

เสน้ แรงแมเ่ หลก็ และสนามแมเ่ หลก็

คณุ สมบตั ขิ องแมเ่ หลก็ 1. แท่งแม่เหล็กประกอบด้วยขวั้ เหนือและข้ัวใต้ สนามแมเ่ หลก็ จะเกดิ ขึ้นระหวา่ งขว้ั ทง้ั สอง 2. ขั้วแม่เหล็กเหมอื นกันจะผลกั กัน ถา้ ขั้วตา่ งกนั จะดูดกนั 3. สามารถเหน่ยี วนาแท่งเหลก็ อ่อนให้กลายเปน็ แม่เหล็กได้ 4. สามารถเหนยี่ วนาใหเ้ กดิ กระแสไฟฟา้ ในลวดตวั นาได้

การเหน่ียวนาสนามแม่เหลก็NS NS

แมเ่ หล็กไฟฟา้

การเหนี่ยวนาไฟฟา้

6. กฎของโอหม์ (OHM’s law) เกออรก์ ซีมอน โอห์ม (Georg Simon Ohm) นักฟิสิกสช์ าวเยอรมนัไดท้ าการทดลองและพบความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง แรงดนั กระแส และความตา้ นทาน วา่ “ความเข้มของกระแสไฟฟา้ ทไี่ หลผา่ นตวั นาเป็นปฏิภาคโดยตรงกบั แรงดันไฟฟ้าและเป็นปฏิภาคโดยกลบั กบั ความตา้ นทานไฟฟ้า”

สามารถเขียนเปน็ สญั ลักษณ์ได้ดงั น้ี E IR I = กระแสไฟฟ้า E E = แรงดันไฟฟ้า I=E I R R = ความต้านทานไฟฟ้า R EE IR I R R = E E = I.R I

ภาระ



งานและกาลงั ไฟฟ้า P = กาลังไฟฟ้า ,W P I = กระแสไฟฟา้ ,A I E E = แรงดันไฟฟ้า ,V W = งาน ,W-s , W-hr W P = กาลงั ไฟฟ้า ,W P T T = เวลา ,s ,hr

7. วงจรไฟฟ้า วงจรไฟฟา้ (Electrical Circuit) คอื การนาอปุ กรณไ์ ฟฟา้ มาตอ่วงจรเขา้ ดว้ ยกนั ทาให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า เมอ่ื ไหลครบวงจรอปุ กรณ์กจ็ ะสามารถทางานได้

ส่วนประกอบของวงจรไฟฟ้า1. แหล่งจา่ ยแรงดันไฟฟ้าหรอื แหลง่ กาเนิดไฟฟา้ เช่น แบตเตอรี่ เซลแสงอาทติ ย์ อัลเตอรเ์ นเตอร์2. อปุ กรณ์ไฟฟ้า หรือ ภาระ(Load) เชน่ หลอดไฟฟ้า มอเตอรต์ า่ ง ๆ3. ตัวนาไฟฟา้ เช่น สายไฟ หรอื สอื่ ทจี่ ะเปน็ ตัวนาให้กระแสไฟฟา้ ไหลมีความตา้ นทานน้อยมาก หรืออาจเพิ่มเตมิ สว่ นประกอบต่อไปนี้เขา้ ไปเพ่อื ใหก้ ารทางานของวงจรมีความสมบูรณ์และมคี วามปลอดภยั1. สวิตชค์ วบคุม2. ฟิวสห์ ลัก หรอื ฟวิ ส์ยอ่ ย





การต่อวงจรไฟฟ้า7.1 การต่อแบบอนุกรม หรอื อันดบั (Series Connections)



7.2 การตอ่ แบบขนาน (Parallel Connections)