ไฟฟ้าและการใช ้ประโยชน์
ผู ้ช่วยศาสตราจารย์สุจิตต์ ศรีชัย
ว ัตถุประสงค์
1. รู ้จักประจุไฟฟ้า สมบัติของประจุไฟฟ้า 2. รู ้จักความสัมพันธ์แรงไฟฟ้า สนามไฟฟ้า ศักย์ไฟฟ้า ตัวเก็บประจุกับ ประจุไฟฟ้า 3. ไฟฟ้ากระแส สมบัติทางไฟฟ้าและกฎของโอห์ม 4. กําลังไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า 5. ความสัมพันธ์ระหว่างอุปกรณ์ไฟฟ้าในชีวิตประจําวันและการสิ3นเปลือง พลังงานไฟฟ้า1. ประจุไฟฟ้าและสมบัติประจุไฟฟ้า
เมื5อนําแท่งอําพันถูด ้วยผ ้าขนสัตว์ แล ้วนํามาใกล ้เศษกระดาษเล็กๆ จะมี แรงดึงดูดระหว่างแท่งอําพันกับเศษกระดาษเล็กๆ ซึ5งแรงนี3ไม่ใช่แรงระหว่างมวล แต่มีขนาดมากกว่า เพราะเป็นแรงระหว่างประจุสมบ ัติของประจุ
1. ประจุมี 2 ชนิดคือประจุบวกและประจุลบมีแรงกระทําเมื5อประจุอยู่ใกล ้กันคือ - ประจุชนิดเดียวกันเมื5ออยู่ใกล ้กันจะผลักกัน - ประจุต่างชนิดกันเมื5ออยู่ใกล ้กันจะดูดกัน 2. ปริมาณประจุไฟฟ้าไม่มีความต่อเนื5อง แต่เป็นจํานวนเต็มเท่าของ อิเล็กตรอน ( 1e = 1.6 × 10 c ) = ± , N = จํานวนของอิเล็กตรอน N=1,1,3……∞ 3. ประจุไฟฟ้าอิสระเป็นปริมาณอนุรักษ์ 4. ตัวนําไฟฟ้า เป็นตัวกลางที5ประกอบด ้วยอิเล็กตรอนอิสระที5สามารถ เคลื5อนที5ได ้อย่างอิสระเมื5ออยู่ในสนามไฟฟ้า และนําไฟฟ้าได ้ดี เช่นโลหะ ต่างๆ ถ ้านําประจุอิสระมาใส่ตัวนํา ประจุจะกระจายสมํ5าเสมอ 5. ฉนวน คือตัวกลางที5ประกอบด ้วยอะตอมที5ยึดแน่นกับอะตอม จึงไม่ยอมให ้มี ประจุอิสระที5นําไฟฟ้าได ้ ถ ้านําประจุมาวางในฉนวนประจุจะอยู่ในบริเวณเดียว2. แรงไฟฟ้า และสนามไฟฟ้า
ประจุมี 2 ชนิดคือประจุบวกและประจุลบ มีแรงกระทําเมื5อ
ประจุอยู่ใกล ้กันตามสมการ
=
̂
เนื5องจากสนามไฟฟ้าอาจแสดงในรูปเส ้นแรงไฟฟ้า โดยมีทิศทางที ตําแหน่งใดๆหาได ้จากทิศของแรงที5กระทําต่อประจุบวกเล็กๆที5วางที5จุดนั3นตาม รูปที51.1 รูปที51.1 แสดงสนามไฟฟ้าจาก ประจุเดี5ยว และประจุที5อยู่ ใกล ้กันความสัมพันธ์แรงไฟฟ้า สนามไฟฟ้า ศักย์ไฟฟ้า
รูปที5 2 สนามไฟฟ้า ศักย์ไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า
รูปที 2
1. อธิบายเส ้นแรงไฟฟ้าจากนําประจุเล็กๆ + 1C วางแสดงทิศ 2. อธิบายสนามไฟฟ้าศักย์ไฟฟ้า 3. อธิบาย ความต่างศักย์ไฟฟ้าความจุไฟฟ้าและตัวเก็บประจุ
ตัวเก็บประจุประกอบด ้วยโลหะ 2 ชิ3นที5มีรูปร่างเหมือนกัน ส่วนมากเป็นแผ่น ขนานกันและอยู่ชิดกัน และมีสารไดอิเล็กตริกคั5นอยู่ระหว่างแผ่นโลหะทั3งสองมี สัญลักษณ์เป็น พลังงานจะสะสมในตัวเก็บประจุ โดยการชาร์จประจุจนกระทั5งมีประจุเก็บในตัวเก็บ ประจุ Q คูลอมบ์ และมีความต่างศักย์ V ทําให ้เกิดพลังงานสะสมในการเก็บประจุ เป็น W จูลไฟฟ้ากระแส และกฎของโอห์ม
กระแสไฟฟ้าเกิดจาการที5อิเล็กตรอนอิสระในโลหะเคลื5อนที5ผ่านปลาย ทั3งสองของโลหะที5ต่อกับแหล่งที5มีความต่างศักย์ไฟฟ้า ซึ5งการเคลื5อนที5ของ อิเล็กตรอนอิสระจะทําให ้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ3น ถ ้าเราต ้องการให ้กระแสไฟฟ้าไหล จะต ้องสร ้างแหล่งกําเนิดให ้มีความต่างศักย์ไฟฟ้าตลอดเวลา เรียกว่า แหล่งกําเนิด เช่น ถ่านไฟฉาย แบตเตอรี เครื5องกําเนิดไฟฟ้า เป็นต ้น ชนิดของกระแสไฟฟ้า 1. ไฟฟ้าจากปฏิกิริยาเคมี 2. ไฟฟ้าจากเครื5องกําเนิดไฟฟ้าหรือไดนาโม3. กระแสไฟฟ้าจากแรงกดอัด(current from piezoelectric stress) 4. กระแสไฟฟ้าจากความร ้อน
5. กระแสไฟฟ้าจากแสง(Photoemission ,Photovoltaic and Photoconduction)
องค์ประกอบของวงจรไฟฟ้า
1. กระแสไฟฟ้า 2. ความต ้านทานไฟฟ้าและกฎของโอห์ม เมื5อ V คือ ความต่างศักย์ (โวลต์,V) I คือ กระแสไฟฟ้า (แอมแปร์,A) และ R คือ ความต ้านทานไฟฟ้า (โอห์ม,Ω)การต่อความต ้านทานแบบต่างๆ
กําลังไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า
กําลังไฟฟ้า(Electric Power)
บนฉลากที ติดเครื องใช้ไฟฟ้าทุกชนิดจะมีตัวเลขกํากับไว้เสมอ เกี ยวกับกําลังไฟฟ้า และแรงดันไฟฟ้า
ที ใช้กับเครื องใช้ไฟฟ้าชนิดนั$นๆ เช่น หม้อหุงข้าว
ขนาด "220 V 800 W" 220 V หมายถึง หม้อหุงข้าวนี
ใช้กับไฟที มีแรงดันไฟฟ้า 220 โวลต์ ส่วน 800 W หมายถึง ค่าพลังงานที หม้อหุงข้าวนี ใช้ใน เวลา 1 วินาที
หรือ เรียกว่ากําลังไฟฟ้า ดังนันพลังงานไฟฟ้าที เครื องใช้ไฟฟ้าใช้ไปในเวลา 1
วินาที เช่น เตารีด 1,000
วัตต์ คือ เมื อใช้เตารีดนี จะสิ นเปลืองพลังงานไฟฟ้า 1,000 จูลต่อวินาที หรือวัตต์
กําลังไฟฟ้า ขึ$นอยู่กับปริมาณกระแสไฟฟ้าที ไหลผ่านเครื องใช้ไฟฟ้าโดยกําลังไฟฟ้ามีค่าเท่ากับผล
คูณระหว่างแรงดันไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้า เขียนสมการได้ดังนี$
P = VI
เมื อกําหนดให้
P
แทน กําลังไฟฟ้า มีหน่วยเป็น วัตต์
V
แทน แรงดันไฟฟ้าที ต่อกับเครื องใช้ไฟฟ้ามีหน่วยเป็นโวลต์
I
แทนกระแสไฟฟ้าที ไหลผ่านเครื องใช้ไฟฟ้ามีหน่วยเป็นแอมแปร์
พลังงานไฟฟ้า(W) =
กําลังไฟฟ้า(P) x เวลา(t)
เมื อกําหนดให้
P
แทน กําลังไฟฟ้า มีหน่วยเป็น วัตต์
W
แทน พลังงานไฟฟ้า มีหน่วยเป็นจูล
t
แทน เวลา มีหน่วยเป็น วินาที
ตัวอย่างการคํานวณ
ต ัวอย่าง จากวงจรให ้คํานวณหาค่าความต ้านทานรวมของวงจร , กระแสไฟฟ้า , แรงดันไฟฟ้า ตกคร่อมตัวต ้านทานแต่ละตัว , กําลังไฟฟ้าของตัวต ้านทาน แต่ละตัวและกําลังไฟฟ้าทั3งหมด ของวงจร วิธีทํา คํานวณหาค่าความต ้านทานรวมของวงจรคํานวณหาค่ากระแสไฟฟ้าของวงจร A 1 12 12 R E I = = T = คํานวณหาค่าแรงดันไฟฟ้าตก ค่อมตัวต้านทานแต่ละตัว V 4 4 1 IR V1 = 1 = × = V 2 2 1 IR V2 = 2 = × = V 6 6 1 IR V3 = 3 = × = คํานวณหาค่ากําลังไฟฟ้าของตัว ต้านทานแต่ละตัว W 4 4 1 IV P1 = 1 = × = W 2 2 1 IV P2 = 2 = × = W 6 6 1 IV P3 = 3 = × = หรือ W 12 12 1 IE PT = = × = W 12 6 2 4 P P P PT = 1 + 2 + 3 = + + =
พลังงานไฟฟ้าและการคิดค่าไฟฟ้า
พลังงานไฟฟ้าคือพลังงานที5สูญเสียใน อุปกรณ์ หรือจํานวนวัตต์ของ อุปกรณ์ไฟฟ้านั3นๆ พลังงานไฟฟ้าที5อุปกรณ์ที5มีพลังงานไฟฟ้าเป็น P วัตต์ ในเวลา t วินาที มีค่าเป็น = = R t = ! " หน่วยของพลังงานไฟฟ้าที5ใช ้ในการคํานวณเป็นจูล (วัตต์-วินาที) แต่ในทางปฏิบัตินิยมใช ้เป็นหน่วย กิโลว ัตต์-ชัวโมง(kW-h) หรือ หน่วย (unit) 1 Unit = ( W) (h) / 1000 = # $%&&' ((( t (hour)เตาไมโครเวฟขนาด 23 ลิตร 220 V / 850 W ถ ้าใช ้งานรวมวันละ 12 ชั5วโมง 45 นาที จะคิดเป็นจํานวน หน่วยพลังงานเท่าไร วิธีทํา จํานวนหน่วย = $ ) ((( = *+( ,-./ ((( = 7.65 หน่วย 23
