หน่วยที่ 1 ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับวงจรไฟฟ้า

หน่วยท่ี 1ความรพู้ ้ืนฐานเก่ียวกับ วงจรไฟฟ้า

จดุ ประสงคเ์ ชงิ พฤติกรรม นกั เรียนสามารถ............... 1. บอกโครงสร้างของอะตอมได้ 2. อธิบายวงจรโคจรของอเิ ล็กตรอนได้ 3. บอกคุณสมบตั ทิ างไฟฟา้ ของสสารหรอื ธาตไุ ด้ 4. บอกความหมายของสารกง่ึ ตัวนาได้

เนื้อหาบทเรยี น 1. โครงสร้างของอะตอม 2. วงจรโคจรของอเิ ลก็ ตรอน 3. คณุ สมบัตทิ างไฟฟา้ ของสสารหรือธาตุ 3.1 ตวั นาไฟฟา้ 3.2 กึ่งตัวนาไฟฟา้ 3.3 ฉนวนไฟฟ้า 4. บอกความหมายของสารกงึ่ ตวั นา 4.1 สารกึ่งตวั นาบรสิ ทุ ธแิ์ ละไม่บรสิ ุทธ์ิ 4.2 สารก่ึงตวั นาชนดิ เอน็ และชนดิ พี



โครงสร้างของธาตุหรือสสาร ธาตุหรือสสาร โมเลกลุ อะตอมนิวเคลยี ส อเิ ลต็ รอนนิวตรอน โปรตรอน

อะตอม วงโคจรของอเิ ลก็ ตรอน นิวตรอน อเิ ลก็ ตรอน นิวเคลยี ส โปรตรอนแบบจาลองแสดงโครงสร้างของอะตอม





โครงสร้างของอะตอม อะตอม ประกอบด้วยนิวเคลยี ส ซ่ึงจะอยู่กง่ึ กลางของอะตอม และมอี เิ ลก็ ตรอนวง่ิ โคจรอยู่รอบๆ นิวเคลยี ส ภายในนิวเคลยี ส ประกอบด้วยโปรตรอนกบั นิวตรอนอเิ ลก็ ตรอน มปี ระจเุ ป็ นลบ (-) ส่วนโปรตรอน มปี ระจเุ ป็ นบวก (+) และนิวตรอนมสี ภาวะเป็ นกลางทางไฟฟ้า ภายในธาตุหรือสสารเดยี วกนั อะตอมจะเป็ นกลางทางไฟฟ้า มจี านวนโปรตรอนกบั อเิ ลก็ ตรอนเท่ากนั

นิวเคลยี สอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ วาเลนซ์อเิ ลก็ ตรอนแสดงวงโคจรของอเิ ลก็ ตรอนรอบๆ นิวเคลยี ส

วงโคจรช้ันนอกสุด เรียกว่า วาเลนซ์เซลล์มจี านวนอเิ ลก็ ตรอนได้ไม่เกนิ 8 ตวั และอเิ ลก็ ตรอนทอ่ี ยู่บนวงโคจรช้ันนอกสุด เรียกว่า วาเลนซ์อเิ ลก็ ตรอน เม่ืออเิ ลก็ ตรอนได้รับพลงั งานไฟฟ้ารูปแบบใดๆจะทาให้อเิ ลก็ ตรอนหลุดออกจากวงโคจร เรียกอเิ ลก็ ตรอนตวั นีว้ ่า อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ

แรงไฟฟ้าสถิต ไฟฟา้ สถิต คอื ไฟฟา้ ทเี่ กดิ จากการส่งผ่านอเิ ลก็ ตรอนจากวัตถหุ นึ่งไปยงั วตั ถหุ น่งึ ด้วยการเสียดสี

ความหมายของประจุไฟฟ้า ประจไุ ฟฟา้ คอื ข้วั ของไฟฟา้ ท่ีแตกต่างกนั ซึง่ แบ่งออกได้ 2 ชนดิ คือ ประจุบวก และประจุลบ โดยประจุชนดิ เดยี วกนั จะผลกั กนั และ ประจุต่างชนดิ กันจะดึงดดู กนั

กฎของคูลอมป์ กฎเกี่ยวกบั แรงดดู และแรงผลักของประจไุ ฟฟ้า กล่าวไว้ว่า แรงท่ีเกิดข้ึนระหว่างประจไุ ฟฟา้ 2 ตวั เกิดจากอตั ราส่วนของ ผลคูณระหวา่ งประจุไฟฟ้า ทง้ั 2 ตัว ตอ่ ระยะห่างระหว่าง ประจุไฟฟ้ากาลัง 2

F = k Q1 Q2 r2F คือ แรงดดู หรอื แรงผลัก มีหน่วยเป็น นวิ ตัน (N)Q1 Q2 คอื ปรมิ าณของไฟฟ้า มีหนว่ ยเป็น คูลอมป์ (C)r คอื ระยะห่างระหว่างประจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็น เมตร (m)k คอื คา่ คงทข่ี องตวั กลาง ตัวกลางท่เี ปน็ สญุ ญากาศ คา่ k มคี ่าเทา่ กับ 9x109 มีหน่วยเป็น Nm2/C2

ตัวอย่างที่ 1จงหาขนาดของแรงผลัก ซ่งึ เกดิ จากประจไุ ฟฟ้าบวก 2 ตัวมีขนาด 0.25 C เทา่ กัน วางตวั อยู่ในสุญญากาศ ห่างกัน3 cm. ให้หนว่ ย ดงั น้ี ก) นวิ ตัน (N) ข) ปอนด์ (lb) เม่อื 1 ปอนด์ เทา่ กบั 4.45 N

ขนาดของอิเลก็ ตรอนประจุไฟฟา้ 1 คลู อมป์ (C) มีจานวนอิเล็กตรอน เทา่ กับ6.24x1018 ตัว ดังนนั้ อิเล็กตรอน 1 ตวั หรือ 1 Electronจงึ มีขนาดประจุไฟฟ้า ดังน้ี 1 = 1.6x10-19 C1 Electron = 6.24x1018

องค์ประกอบของอะตอม ชนดิ ประจุไฟฟา้ (C) น้าหนัก (g)อเิ ล็กตรอน -1.6x10-19 9.108x10-28โปรตรอน +1.6x10-19 1.672x10-24นิวตรอน 1.675x10-24

ตวั อย่างที่ 2จงหาแรงดูด ระหวา่ งอิเลก็ ตรอนกับนิวเคลียสทว่ี างตวั อยู่ในสุญญากาศ หา่ งกัน 1x10-10 m เมอ่ื นวิ เคลียสมีประจไุ ฟฟ้าบวกขนาดใหญก่ ว่าอเิ ล็กตรอน 29 เทา่

ความต่างศกั ย์ (Electromotive Force : emf) หมายถึง ความสามารถหรือแรงดันไฟฟา้ ที่ทาให้อเิ ลก็ ตรอนเคลอ่ื นทจี่ ากตาแหนง่ หนึง่ ไปยังอีกตาแหนง่ หนึ่งความตา่ งศักย์ในวงจรไฟฟา้ หมายถงึ หมายถงึ แรงดันไฟฟ้าระหวา่ งจุด 2 จุด ดงั นัน้ แรงดนั ไฟฟ้า จึงแทนความหมายของ emf หรือ ความต่าง ศกั ยใ์ นวงจรได้

แรงดันไฟฟา้แรงดนั ไฟฟา้ มีหนว่ ยเป็น โวลท์แรงดนั ไฟฟา้ 1 โวลท์ หมายถงึ งานไฟฟา้ ขนาด 1 จูล (J)ที่เกดิ จากการเคลอื่ นตัวของประจุไฟฟ้า 1 คลู อมป์ (C) หรือการเคล่ือนตวั ของประจไุ ฟฟ้า ทาให้เกดิ งานไฟฟ้า E= W QE = แรงดันไฟฟ้า มหี น่วยเปน็ โวลท์ (V)W = งานท่ีเกิดจากการเคลอื่ นตัวของประจไุ ฟฟ้ามหี นว่ ยเปน็ จลู (J)Q = ขนาดของประจไุ ฟฟ้า มีหนว่ ยเป็น คูลอมป์ (C)

ตัวอย่างท่ี 3จงหาคา่ แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ตวั หน่งึ ซ่ึงขณะต่อกบัโหลดทาใหเ้ กดิ ประจไุ ฟฟา้ ขนาด 50 C เคลือ่ นตัวจากแหลง่ จ่ายไฟฟา้ ไปยงั โหลด และเกดิ งานไฟฟ้า 600J E= W Q 600 J = 50 C = 12 V

กระแสไฟฟ้า เม่อื จา่ ยแรงดนั ไฟฟา้ ให้กับลวดทองแดง วาเลนซอ์ ิเลก็ ตรอน ของอะตอมในลวดทองแดง จะถกู ผลักให้หลดุ ออกจากวงโคจร จงึ เกิดการเคล่ือนท่ีอิเลก็ ตรอนอสิ ระ ซึ่งทาให้เกดิ กระแสไฟฟ้า ไหลในเส้นลวดได้

กระแสไฟฟ้า เป็นอัตราการไหลของประจุไฟฟา้ ซึ่งวัดได้จากปริมาณการไหลของประจไุ ฟฟ้าตอ่ วนิ าทีI= Q tE = กระแสไฟฟ้า มหี น่วยเปน็ แอมแปร์ (A) หรอืคูลอมป์ต่อวนิ าที C/sQ = ขนาดของประจไุ ฟฟา้ มหี น่วยเป็น คูลอมป์ (C)t = เวลา มีหน่วยเปน็ วินาที (s)

ตัวอย่างท่ี 4ถา้ ประจุไฟฟา้ ขนาด 600 C เคลื่อนตัวผา่ นวงจรไฟฟา้ เปน็เวลา 4 นาที จงหา (ก) คา่ กระแสไฟฟ้า (ข) ขนาดของประจไุ ฟฟ้า ทีใ่ ชเ้ วลาในการเคลือ่ นตัวผา่ นวงจรไฟฟ้า 10 นาที โดยใช้ปรมิ าณกระแสไฟฟ้าจากขอ้ (ก) (ค) จานวนอเิ ลก็ ตรอน จากข้อ (ข)

(ก) I= Q t 60 C = 4 min = 60 C 240 s = 0.25 A

(ข) Q = I x t = 0.25 A x 10 min = 0.25 A x 600 s = 150 Cประจไุ ฟฟา้ 1 คูลอมป์ (C) มจี านวนอิเล็กตรอน เท่ากบั6.24x1018 ตัว(ค) จานวน e = 150 C x 6.24x1018 = 9.36 x 1020 ตัว

ตัวนาไฟฟา้ และฉนวนไฟฟ้า ตวั นาไฟฟ้า หมายถึง วัตถุที่ยอมใหป้ ระจุไฟฟ้าไหลผา่ นได้ วตั ถุท่ีมีจานวนอเิ ล็กตรอนอิสระมาก แสดงว่า เปน็ตวั นาทด่ี ี เชน่ เงิน ฉนวนไฟฟา้ หมายถงึ วัตถุท่ไี มย่ อมใหป้ ระจไุ ฟฟ้าไหลผา่ นได้ ฉนวนทดี่ ไี มค่ วรมีอเิ ลก็ ตรอนอิสระ แตใ่ นทางปฏิบตั ิฉนวนไฟฟ้าที่ดีอย่าง Polystyrene อาจจะมีอเิ ล็กตรอนอิสระอยู่

ความตา้ นทานและความนาไฟฟ้า ความตา้ นทานของวงจรไฟฟา้ หมายถึง การท่ีอิเลก็ ตรอนอิสระปะทะซ่งึ กันและกะน และไปกระทบกับอิเล็กตรอนในอะตอมทไี่ มม่ ีการเคล่ือนตวั ทาให้เกิดการต้านการไหลของอิเลก็ ตรอนอิสระหรือการไหลของกระแสไฟฟา้ ความนาไฟฟ้า เปน็ ตัวบ่งบอกถงึ ประมาณของกระแสไฟฟ้าทีส่ ามารถไหลผา่ นได้G= 1 มีหน่วยเป็น ซีเมนส์ (S) R

ตัวอย่างที่ 5 จงหา (ก) คา่ ความนาไฟฟา้ เมอ่ื วงจรไฟฟา้ มีความตา้ นทาน 20  (ข) คา่ ความตา้ นทาน เม่ือวงจรไฟฟ้า มีความนาไฟฟา้ 1 x 10-6 S

(ก) G= 1 R 1 = 20 = 0.05 S หรือ 50 mS(ข) R= 1 G 1 = 1 x 10-6 = 1 M

ปัจจยั ทม่ี ีผลต่อความตา้ นทานของตวั นา ความตา้ นทานของตวั นา ทาหนา้ ท่ี ตา้ นทานการไหลของอเิ ลก็ ตรอนหรอื การไหลของกระแสไฟฟา้ ซ่งึ การต้านทานจะข้ึนอยู่กับปจั จัย 3 ประการ คอื 1. ความยาว 2. ขนาดของตัวนา 3. ความต้านทานจาเพาะของตัวนา

R= L AR = ความตา้ นทานของตวั นา มีหน่วยเป็น โอหม์  = ความตา้ นทานจาเพาะของตวั นา มหี น่วยเป็น โอห์ม-ซม-cm)A = พืน้ ท่ีหนา้ ตดั ของตัวนา มหี นว่ ยเปน็ ตาราง ซม.L = ความยาวของตวั นา มหี นว่ ยเป็น เซนติเมตร (cm)

คา่ ความตา้ นทานจาเพาะของตวั นาต่างๆท่ีอุณหภมู ิ 20OC ตัวนา Silver 1.5 x 10-6Copper 1.7 x 10-6Gold 2.4 x 10-6Aluminium 2.8 x 10-6Iron 1 x 10-5Nichrome 1 x 10-4Carbon 3.5 x 10-3

ค่าความต้านทานจาเพาะของตัวนาต่างๆที่อณุ หภูมิ 20OC ตวั นา Germanium 4.5 x 101Silicon 2.3 x 105Bakelite 1 x 1012Glass 1 x 1014Mica 1 x 1016

ตวั อยา่ งที่ 6 จงหาค่าความตา้ นทานของทองแดง 1m0.1 1 cm R= L A 1m = 1.7 x 10-6 0.1 cm x 1 cm

= 1.7 x 10-6 100 cm 0.1 cm2= 1.7 x 10-6 x 1000= 1.7 x 10-6 x 103= 1.7 x 10-3 

ตวั อย่างท่ี 7 จงหาคา่ ความต้านทานของลวดเหล็ก ท่ีมีความยาว100 ฟตุ เส้นผ่าศนู ยก์ ลาง 0.01 น้วิแปลงหน่วยความยาว ใหเ้ ป็น cm1. แปลงหนว่ ยความยาว จาก ft ให้เป็น inL = 100 ft x 12 in = 1200 in 1 ft2. แปลงหน่วยความยาว จาก in ให้เป็น cm L = 1200 in x2.514incm = 3.05 x 103 cm

12 in = 1200 inแปลงหนว่ ยพื้นที่ ใหเ้ ป็น cm2 1 ft1. แปลงหนว่ ยเส้นผ่าศูนย์กลาง จาก in ให้เปน็ cmd = 0.01 in x 2.54 cm = 2.54 x 10-2 cm 1 in2. หาพนื้ ทหี่ น้าตัด ใหเ้ ป็น cm2A = r2 =  d2 = 3.14 x (2.54 x 10-2 cm)2 440.01 in = 5.07 x 10-4 cm2

R= L A= 1 x 10-5 3.05 x 103 cm 5.07 x 10-4 cm2= 1 x 10-5 x 0.6 x 103 x 104= 1 x 10-5 x 0.6 x 107= 0.6 x 102 = 0.6 x 100 = 60 

อุณหภูมขิ องตวั นาทม่ี ีผลตอ่ ความตา้ นทาน จากการทดลอง พบวา่ เม่อื อณุ หภมู ิในตัวนาสงู ขึน้ความต้านทานของตัวนาย่อมทคี า่ สูงขน้ึ ดว้ ย R2 = R1 [1+ (T2-T1)] = สมั ประสทิ ธอ์ิ ณุ หภมู ขิ องความต้านทานในตัวนาR1 = ความต้านทาน ท่ี 20oC R2 = ความตา้ นทาน เมื่ออุณหภูมิทเี่ ปลีย่ นแปลง T1 = อณุ หภมู ิ เร่ิมตน้ ที่ 20oCT2 = อณุ หภูมิ ชว่ งสดุ ท้ายทีเ่ ปล่ยี นแปลง (oC)

สมั ประสิทธอ์ิ ุณหภมู ขิ องความตา้ นทานในตวั นาที่อณุ หภมู ิ 20OCตัวนา Nickel 0.006Iron 0.0055Tungsten 0.0045Copper 0.00393Aluminium 0.0039Silver 0.0038Nichrom II 0.00016Constantan 0.000008

ตวั อยา่ งที่ 8 จงหาค่าความต้านทานของนิเกิล ที่อุณหภมู ิ 30oCถ้าสมั ประสิทธอิ์ ณุ หภมู ิของความตา้ นทานท่ี 20oC เท่ากบั0.006 และ คา่ ความต้านทานท่ี 20oC เท่ากับ 4k R2 = R1 [1+ (T2-T1)] = 4k [1+ 0.006 (30oC - 20oC)] = 4k [1+ 0.006 (10oC)] = 4k (1+ 0.06) = 4k (1.06) = 4.24k